基于多路径系统的量子密钥分发与量子信息传输

【摘要】：加密技术是保护军事、机要、银行、公司和私人信息传递安全性的重要手段。由于因特网、数字现金、网上银行等的迅猛发展与推广,信息交换的安全性显得日益重要,应用范围也日益广泛。黑客的窃听和病毒攻击对信息安全是个巨大的威胁,并成为了信息战的重要手段。但无论是理论上安全的一次一密私钥密码体制,(Vernam)加密术,还是目前被广泛使用的两种公钥密码体制,Diffie-Hellman加密术和RSA加密术,都分别存在实际应用方面与安全方面的问题。尤其是Shor量子算法的问世从理论上彻底打碎了诸多公钥密码体制的安全性。经典加密术已不能满足对信息安全日益提高的要求,而以量子力学基本定理为基础的量子密码术,以全新的方式解决信息的安全交换,为信息加密技术提供了空前的超级工具。目前而言,量子密码体系的理论研究已经比较成熟,实验上也取得了巨大成功,甚至出现了一些可局部应用的初级产品,但由于实际技术条件的限制,这一方面的研究还远没有完结。其最终目的是为了建立一个在现有技术条件下实现超远距离信息绝对安全共享的高性能量子密码通信体制。已有的量子密码体系均是利用具有量子效应的物理资源在远距离通信双方一次或多次传输来完成信息的交换。本文提出一些新的通过量子资源在通信双方建立起来的多个量子信道(多路径)的传输实现量子密钥的分发、量子信息的直接传输方案,并研究了这些方案的性能问题,取得了一系列具有创新意义的结果。主要内容如下： 第一章介绍了量子密码学的基本知识框架,包括密码学所包含的主要的研究方向、量子密码学产生的历史背景、几个著名的量子密钥分发协议、量子密码学的一般化的物理图景。 第二章中,首先结合原始BB84协议的主题内容介绍了量子密钥分发系统的安全分析理论,具体给出了一些常见窃听手段对系统安全性能的影响。并进一步介绍了基于单光子与非单光子源的BB84协议的无条件安全性证明理论。接着介绍了最贴近实际的量子密钥分发系统的物理模型,并对这一模型下的各种有应用前景的方案及其安全性分析理论作了详细的论述。 第三章则介绍了量子密钥分发的另一重要分支,也称量子直接通信的基本面貌。并对这一分支的开创性工作及其发展作了简要描述,介绍本文的工作。 第四章提出了一个改进型的“4+2”单向两路径密钥分发方案。具体导出了与该方案对应的压缩模型,并在此基础上研究了有限密钥情境下该方案的无条件安全密钥率下限KL,得出了KL与系统各重要参数的关系及其相应数值解。 第五章提出了一个用光子纠缠对通过两量子信道的双向传输实现具有自然随机性的两比特量子密钥异地分发方案。由于该方案的密钥分发过程具备即使是合法通信方也无法预先确定每次分发的密钥结果的性质,因而使得系统的安全性能优越于类似BB84协议的准备测量模式的量子密钥分发方案。 第六章则提出了一种通过把特殊的离散算法引入到量子态中以实现单向远距离量子信道中信息的直接安全传输方案。分析了基于该算法下方案在有噪声信道和无噪声信道两种情况下的安全性能问题。 第七章提出了用“路径-自旋”纠缠量子信道实现三粒子W态及任意粒子的GHZ态的量子信息远距离实时直接传输,并研究了信道“白噪声”对信息传输的影响。 第八章对全文进行了总结与展望。